TIPS & TRICKS: MOSFET w trybie PWM

Autor: janbernat

Redakcja: Dondu

Tranzystor MOSFET jak wiadomo silny jest i dzielny jest. Potrafi włączyć prąd kilka, a nawet kilkaset amperów (!) i wytrzymuje napięcie kilkadziesiąt - a nawet kilkaset (!) woltów. A tu często przy kilkunastu woltach i kilku amperach, grzeje się, pali - no w ogóle nie działa tak jak chcemy. Jak nim sterować w trybie PWM po bożemu?

MOSFET jest bardzo wrażliwy na sterowanie. Jak jest niedobre, to wcale nie chce pracować. Dlatego z MOSFET-em jest jak z mężem,  Zapytajcie swojej żony jak zmusić silnego i dzielnego męża do roboty? Ano delikatnie, intuicją, sposobem i wiedzą. 

MOSFET na Wikipedia: MOSFET

To sterowanie dotyczy procesorów zasilanych z 5V albo nawet z 3.3V. Ale MOSFET ma włączać odbiornik zasilany z 12V (albo nawet dużo więcej). No bo po co taki dzielny MOSFET miałby pracować na 5V?


No to popatrzmy na schemat. Zaznaczyłem tam największą słabość mosfeta - pojemność bramki (C2). 
Nie podłączoną, ale jednak jest!

MOSFET chciałby, aby ta bramka bardzo szybko się rozładowywała i ładowała. Bo jak na bramce jest jakiś ładunek, to MOSFET trochę przewodzi, a wtedy się grzeje.

Najlepiej gdyby ta pojemność w bramce była pusta, to wtedy nie przewodzi wcale, albo pełna, to wtedy przewodzi i jego oporność kanału jest mała, a mała rezystancja, mało się grzeje.

No ale przy PWM ta bramka (kondensator) stale się ładuje i rozładowuje. Powinna to robić szybko. Albo naładowana, albo rozładowana. No ale nieskończenie szybko to się nie da - to jest świat realny.

Policzmy

No to może popatrzmy - a może policzmy - jak szybko się da naładować i rozładować kondensator będący tak naprawdę pojemnością bramki.

Ano taki IRF540 ma pojemność bramki 1.4nF. A tranzystory BC nim sterujące mają dopuszczalny prąd 800mA. 

Przyjmijmy, że dla naszych zastosowań 500mA. Czyli dobieramy prąd bramki na 500mA. Prąd płynie z napięcia 12V przez Q1 i wypływa z bramki (kondensatora) przez Q2. No i nie może przekroczyć 500mA.

Stąd to opornik R3 powinien mieć 24ohm. Bo więcej tranzystory Q1 i Q2 mogą nie wytrzymać (oczywiście można zastosować inne).

No to teraz popatrzmy na tranzystor Q4, a w zasadzie na opornik R1 w kolektorze. Powinien być on o małej wartości rezystancji - tyle ile tranzystor Q4 wytrzyma. Bo od wartości tego opornika zależy po części szybkość przełączania.


Dobór rezystora R2 w bazie tranzystora jest taki:

• nie może nadmiernie obciążać wyjścia procesora 
• musi zapewnić nasycenie tranzystora. 

Załóżmy że:

• w kolektor tranzystora wstawiamy opornik 120ohm.  
• wzmocnienie  prądowe tranzystora wynosi 100.

Czyli gdy jest całkiem otwarty to płynie przez niego 100mA.


Prąd bazy musi być znacznie większy niż 1mA (od 3 do 10 razy).
Dla rezystora R2 o wartości 1.2 kohm prąd będzie 4.5mA. Obliczamy wzorem:

gdzie:
Ib - prąd bazy
Ic - prąd kolektora
ß  - współczynnik wzmocnienia tranzystora (beta)

R6 powinien spowodować zwarcie do masy bazy Q4 - może być 100k - to i tak na wszelki wypadek.
C1- bardzo przyspieszy przełączanie. W praktyce stosuje się kondensatory kilkadziesiąt- kilkaset pF.

Zainteresowanych odsyłam do literatury:

Paul E.Gray, Campbell L. Searle
"Podstawy Elektroniki"
PWN 1976, str.706.

TIPS & TRICKS: Pomiar prądu przemiennego

ARTYKUŁ W TRAKCIE TWORZENIA

CZYTASZ NA WŁASNE RYZYKO

:-)

Autor: janbernat

Redakcja: Dondu

Młody padawan
Muszę zmierzyć prąd przemienny - jak to zrobić?
Słyszałem że do tego trzeba użyć prostownik.

Problem który trzeba rozwiązać, to problem dot. przemienności prądu.Ponieważ do pomiaru stosować będziesz przetwornik ADC mikrokontrolera, który nie mierzy napięć ujemnych, musimy doprowadzić do sytuacji, gdzie prąd będzie dostosowany do zakresu pomiarowego ADC (w większości przypadków od 0V do +5V).

Rys. To musimy osiągnąć :-)

Cały dowcip polega na tym, aby odwrócić ujemną połówkę prądu i dodać ją do połówki nieodwróconej, bez strat na jakości sygnału mierzonego, nie możemy więc zastosować zwykłego mostka Gretz-a (na czterech diodach), bo zależy nam na tym, aby pomiary były dokładne.

Dlatego zadanie niestety wymaga zbudowania niezbyt skomplikowanego dwupołówkowego prostownika. Jak zwykle układ taki można wykonać na wiele sposobów. Poniżej przygotowałem dla Was wersję zasilaną z jednego napięcia 5V, co jest istotną zaletą tego rozwiązania.

Rys. Dwupołówkowy prostownik do pomiaru prądu przemiennego

Młody padawan
To jest prostownik? Jaki prostownik- tu nie ma żadnej diody!
Dwupołówkowy i w dodatku zasilany tylko z 5V?
Jak on może mierzyć ujemne napięcia?
Jak to może działać?

Tak, to jest prostownik :-) i służy do pomiarów prądu przemiennego płynącego przez bocznik R5.



Jak to działa?

Po pierwsze, nie zadziała na każdy wzmacniaczu. Na pewno nie na popularnym LM358 ani LM224. Potrzebny jest wzmacniacz o dużej wydajności wyjścia pracującego jako sink - czyli zlew.

Po prostu wyjście musi bez problemu wchłonąć prąd jaki pojawi się przy napięciu ujemnym na wyjściu. I to takim, które nie wychodzi z wyjścia wzmacniacza - ale takim nie wiadomo skąd.

Taki wzmacniaczem jest TLC274P - inne także są.


Dodatnia połówka
Załóżmy, że na rezystorze R5 pojawia się napięcie dodatnie np. +10mV. Stąd  na wyjściu wzmacniacza IC2A pojawia się napięcie +100mV, ponieważ jest to wzmacniacz nieodwracający, o wzmocnieniu 10.

Na wyjściu wzmacniacza IC2B pojawi się natomiast napięcie -100mV, bo jest to wzmacniacz odwracający także o wzmocnieniu 10.

Młody padawan
Zaraz, zaraz - a skąd to ujemne napięcie ma się na tym wyjściu pojawić?
Przecież zasilanie ma tylko dodatnie!

Ano właśnie, nic się na tym wyjściu nie pojawi. Ten prąd jaki się pojawi zostanie wchłonięty do masy, bo ten typ wzmacniaczy może to zrobić.




Ujemna połówka
A co będzie gdy na rezystorze R5 pojawi się napięcie ujemne -10mV?

Sytuacja będzie odwrotna, czyli nadmiar prądu z wyjścia wchłonie IC2A, a IC2B odwróci znak napięcia i będzie miał na wyjściu +100mV.


Sumator
IC2C to jest zwykły sumator - raz dodaje napięcie dodatnie nieodwrócone, a raz napięcie ujemne odwrócone na dodatnie, czyli zawsze dodatnie jak w zwykłym mostku Gretz'a, ale bardzo dokładnie odwzorowane.





Uwagi

Wartość rezystora R5 można zwiększyć - wtedy źródłem sygnału może być po prostu przekładnik prądowy, którego wtórne uzwojenie jest podłączone do R5.

Jeśli wartość dopuszczalna obciążenia przekładnika prądowego jest wyższa niż 10oHm - to należy zwiększyć wartość rezystorów R1, R2,R3 i R4.

Autor: janbernat

Redakcja: dondu

Przekaźnik i zakłócenia

Autor: janbernat
Redakcja: Dondu

Rys. 1 - Takie niewinne ...
... ale jednak groźne :-)

Przekaźniki stanowią proste rozwiązanie dające możliwość łatwego sterowania urządzeniami o większych napięciach czy prądach. Mają swoje zalety, ale także i wady.

Poniżej przedstawimy (tak łopatologicznie) wraz z kolegą Janem Bernat (Elektroda.pl janbernat) jedną z ważniejszych wad przekaźników jakimi są generowane przez nie zakłócenia.
Janek "skromniacha" nie che, abym pisał o jego doświadczeniu, ale ja wiem, że w tym temacie jest spore i zawodowe :-)

Zakłócenia generowane przez przekaźnik należy podzielić na dwa rodzaje:

1. zakłócenia generowane przez cewkę
2. zakłócenia powstające na stykach 

Zanim przeczytasz o zakłóceniach generowanych przez elementy indukcyjne, najpierw sprawdź, czy masz prawidłowo filtrowane zasilanie mikrokontrolera.

1. Zakłócenia generowane przez cewkę

Cewka przekaźnika jest elementem indukcyjnym, przez co gromadzi energię w wytworzonym polu magnetyczny w trakcie gdy przekaźnik jest włączony.

W momencie wyłączenia ładunek ten jest częściowo oddawany z powrotem do cewki przekaźnika, w bardzo niebezpieczny dla układu sposób, generujący tzw. "szpilki" wysokiego napięcia wielokrotnie przewyższającego napięcie zasilania przekaźnika. Co więcej, generowane przez przekaźnik podczas jego wyłączania szpilki mają przeciwną biegunowość do napięcia zasilania:

Rys. 2 - Moment wyłączania
Szpilki mają przeciwny kierunek

Przykład 12V

Naszym przykładem będzie przekaźnik zasilany napięciem 12V.

Do styków przekaźnika nie podłączamy niczego.

Dzięki Hayato pokażemy poniżej na oscylogramach na czym to zjawisko polega.

Thanks a lot, Hayato!



1.1 Przekaźnik bez filtru

Na początek żadnych filtrów, po prostu załączymy przekaźnik zasilając go 12V.

Rys. 3 - Przekaźnik naturysta :-)

Moment wyłączania przekaźnika:

Wyk. 1 - Przekaźnik bez filtrowania.

Na oscyloskopie widać zakłócenia wygenerowane przez zanikające w cewce pole magnetyczne. Zakłócenia te są krótkotrwałe, ale napięcie wygenerowane jest kosmicznie duże:

284V !!!

Czy to pomyłka?  Nie, to nie pomyłka !

To 284V, które uszkodzi twój mikrokontroler bardzo szybko :-)

Co więcej, w zależności od przekaźnika, napięcia zasilania, itp. wygenerowane szpilki mogą mieć napięcia przekraczające 500V.




1.2 Pierwsza myśl - może dodajmy kondensator?

Kondensator powinien pochłonąć część ładunku.

Rys. 4 - Przekaźnik z "kondorem"

Ale jak dobrać kondensator? Za mały nie pochłonie ładunku. Za duży będzie przeszkadzał w pracy przekaźnika. Spróbujmy 100nF ceramiczny:

Wyk. 2 - Przekaźnik z filtrem - kondensator 100nF.

160V !!!

Efekt lepszy, ale kompletnie niezadowalający, bo mamy w porywach, aż 160V. 

Wprawdzie to mniej niż 240V z pierwszego oscylogramu, ale to nadal napięcie unicestwiające 

nasz mikrokontroler.

A może dodać większy kondensator? Nie bardzo można, ponieważ będzie przeszkadzał w pracy przekaźnika.





1.3 Dioda = ratunek oczekiwany :-)

Skoro szpilki mają przeciwną biegunowość niż napięcie, które wcześniej zasilało cewkę przekaźnika, może by to wykorzystać?

Ale jak? Można dodać szybką diodę np. Schottky w kierunku zaporowym, która oddawany przez cewkę przekaźnika ładunek, po prostu zewrze (zrobi zwarcie):

Rys. 5 - Moment wyłączania
Dioda zwiera szpilki.

Dlaczego diody Schottky? Ponieważ są bardzo szybkie i mają bardzo mały spadek napięcia.
Ale możemy także wykorzystać popularną i tanią diodę 1N5817-1N5819 lub 1N4001-1N4007 więc dodajemy ją i jaki efekt?

Wyk.3 - Przekaźnik z diodą

Widzisz jakieś szpilkowe zakłócenia?
Rewelacja! O to nam chodziło!

bisz Cyklicznie 'paląca się' atmega8
Przy ostatniej kolejnej wymianie procka, dodałem diody do przekaźników.
Jak na razie od kilku dni chodzi bez zarzutów.

Gdzie umieścić diody?

Diody umieszczaj jak najbliżej źródła zakłóceń, wręcz na nim.

Jeżeli umieścisz diody blisko tranzystora zamiast przekaźnika, to przewody lub ścieżki sterujące przekaźnikiem, będą antenami emitującymi zakłócenia.

Właśnie dlatego niektóre przekaźniki mają fabrycznie w sobie zamontowaną diodę tuż przy cewce przekaźnika. Taki przekaźnik należy odpowiednio podłączyć, dlatego w datasheet znajdziesz dokładne oznaczenie wyprowadzeń:

Czy zwarcie nie uszkodzi diody?

Skoro używamy diody do robienia zwarcia, to musimy zwrócić uwagę, na jeszcze jeden istotny parametr - prąd przewodzenia (IF). Ten parametr warunkuje, czy dioda wytrzyma prądy generowane przez przekaźnik:

Ale spokojnie - do małych przekaźników (patrz rys. 1) dioda 1N4148 jest idealna, więc montuj ją "w ciemno".

Nie ma nic za darmo ...

Zastosowanie diody ma jedną wadę - wydłuża się około 3-krotnie czas wyłączania przekaźnika. Może to mieć znaczenie w projektach niektórych urządzeń, dlatego należy o tym pamiętać.

Czy to zjawisko dotyczy tylko przekaźników?

Nie, zjawisko dotyczy wszystkich elementów indukcyjnych, czyli także na przykład silników. Dlatego budując układy sterowania musisz uwzględniać to zjawisko: Silnik DC






Szczegółowe wzory możesz znaleźć na forum: Dioda równolegle z cewką przekaźnika - po co?

---

2. Zakłócenia generowane przez styki

Po tej stronie przekaźnika mamy kilka zjawisk, które się na siebie nakładają:

1. Łuk elektryczny
2. Drgania styków

Zacznijmy jednak od tego, że styki przekaźnika nie są idealne. Powierzchnia styków nawet nowych nie jest idealna, przez co nie przewodzą całą powierzchnią.

Rys. 2.1 - Styki nie są idealne

Dodatkowo w czasie pracy styki podlegają zużyciu i problem ich nierówności powiększa się, co potęguje się szczególnie, gdy nie stosujesz diody filtrującej opisanej w punkcie 1.3.

Rys. 2.2 - Styki po 100.000 cykli
Po lewej bez ochrony, po prawej z ochroną diodową.

2.1 Łuk elektryczny

Łuk elektryczny to największy generator zakłóceń po stronie styków przekaźnika. Jego powstawanie może prowadzić do przenoszenia się zakłóceń na mikrokontroler, powodując jego złą pracę, a w szczególnych przypadkach nawet uszkodzenie. Nierównomierność styków także wpływa na większą "chęć" powstawania łuku elektrycznego.



2.2 Drgania styków

Ten problem występuje we wszystkich przełącznikach stykowych.

Rys. 2.3 - Drgania styków

No to mamy problem!

Oba wyżej wymienione zjawiska nakładając się na siebie powodują powstawanie zakłóceń, które objawiają się w momentach włączania i wyłączania przekaźnika.

Jak temu zaradzić?
Musimy jakoś wygasić te drgania i łuk elektryczny. Użyjemy do tego układów popularnie zwanych gasikami:

Rys. 2.4 - Gasiki (układy tłumiące)

Jak dobrać elementy gasika ?

Rozpatrzymy najbardziej podstawowy gasik jakim jest dwójnik RC w układzie:

Rys. 2.5 - Dwójnik RC - wersje dla różnych napięć odbiornika.

W zależności od napięcia zasilania powinieneś wypróbować dwie wersje dwójnika (rys. 2.5). Rezystor R7 oraz kondensator C2 w obu wersjach są takie same, a ich wartości dobieramy z nomogramu (rys. 2.6). By z niego skorzystać musisz znać po stronie odbiornika (w naszym przykładzie żarówki):

• napięcie pracy odbiornika
• prąd pobierany przez odbiornik

Nomogram wydaje się skomplikowany, ale w rzeczywistości jest bardzo prosty :-)
Dokładny opis sposobu odczytu danych wraz z 2 przykładami znajdziesz na nomogramie.

Rys. 2.6 - Nomogram dwójnika RC.

Kliknij nomogram, by go powiększyć.


Autor: janbernat
Redakcja: dondu



Źródła:
Hayato: Relay and snubbers
Hendon Semiconductors: Relay Contact Protection
Politechnika Wrocławska: Rezystancja zestykowa
Elfa: Nieco teorii z katalogu Elfa
ST Microelectronic: RC snubbers for triacks